Было ли неизбежным принятие обычных хвостовых оперений в качестве «повседневных самолетов», или есть другие конструкции, которые могут быть такими же хорошими?

Если вы напишите оптимизатор, который изменяет размах крыла виртуального самолета, вы получите большое крыло посередине и меньшее в хвосте, если вашей целью было добиться хороших характеристик, широкого диапазона ЦТ и послушного поведения. Так что да, параллельная эволюция также приведет к обычной компоновке.

Почему без слуха?

• Переднее крыло более нагружено на устойчивость. Добавление туда управляющих поверхностей снизило бы возможную эффективность управления. Размещение их на большом заднем крыле приведет к более высоким усилиям на рукояти и более высоким изменениям подъемной силы при тех же изменениях момента тангажа.
• По той же причине крыло не может использовать весь свой потенциал подъемной силы, потому что утка должна свалиться первой.
• Поскольку размах крыла утки меньше, чем у крыла, след от утки ударит по крылу и нарушит распределение подъемной силы по размаху.
• Для курсовой устойчивости по-прежнему необходим хвост, хотя он используется только для вертикальных поверхностей. В качестве альтернативы можно использовать стреловидное крыло «утка» и использовать крылышки для курсовой устойчивости, но добавление стреловидности снизит эффективность крыла.

Все это ставит утку в невыгодное положение. Это работает, но имеет свою цену.

Почему нет летающего крыла?

• Летающие крылья имеют низкое демпфирование шага и очень ограниченный диапазон центра тяжести.
• У них часто нет закрылков на задней кромке для дополнительной подъемной силы во время медленного полета, поэтому их взлетная и посадочная скорости выше, чем у сопоставимого самолета с хвостовым оперением. Или нагрузку на крыло надо сделать ниже, что на большой скорости больно.
• Несмотря на то, что хорошая конструкция летающего крыла имеет стреловидные крылья, они плохо подходят для высоких околозвуковых скоростей. Их профили крыла не могут иметь заднюю нагрузку, поэтому критическое число Маха при том же коэффициенте подъемной силы значительно ниже, чем для обычных конфигураций.

Компоновка «утка» имеет серьезные ограничения, которых нет у хвостовой части. Самый большой из них - получить желаемую реакцию на тангаж-скорость, чтобы обеспечить хорошую стабильность тангажа, с надлежащими характеристиками поиска скорости без джойстика, при этом имея адекватный авторитет на низкой скорости.

С хвостом сзади в конфигурации самолета как качелей легко получить правильные ответы (ускорение, тангаж, замедление, тангаж вниз и т. д.).

С несущей поверхностью в передней части (конфигурация «самолет-стол») требуемый отклик по тангажу на скорость достигается за счет использования аэродинамического профиля «утка» с более крутым наклоном подъемной силы, чем у основного крыла, поэтому при увеличении скорости тангаж самолета вверх и наоборот. С обычным хвостовым оперением аэродинамический профиль может быть листом фанеры и все равно нормально работает.

В конструкции Рутана на раннем этапе использовался аэродинамический профиль «утка», разработанный Университетом Глазго, который имел требуемую характеристику подъемной силы. К сожалению, этот аэродинамический профиль был очень чувствителен к ламинарным возмущениям, и полет в дождь мог оказать огромное влияние на дифферент (они могли наклоняться в дождь, не выходя из-под контроля, но достаточно, чтобы быть проблемой). Лучшим решением для этого было добавление генераторов вихрей к канарду. Позже был разработан новый аэродинамический профиль, не чувствительный к дождю.

Почти все теоретические преимущества утки были сведены на нет в реальном мире, что и является реальной причиной редкости такой конфигурации. Это не какой-то заговор против утки; они просто не работают так хорошо в балансе компромиссов, который создает самолет.

Да, они не могут глохнуть/вращаться, но вы можете сделать это и с обычным самолетом (Ecoupe). У VariEZe/Long-EZ высокие взлетная и посадочная скорости, и да, вы не можете раскрутить его, но если вы поставите его после отказа двигателя, вы, вероятно, все равно получите травму.

Рутан разработал планер под названием Solitaire, в котором использовалась поверхность «утка». Вы могли бы подумать, что это позволит оптимизировать преимущества «утки» и сделать идеальный планер. Это было неудачно, потому что он развивал высокую скорость снижения на скорости термика (обычно вы поворачиваете чуть выше сваливания, на минимальной скорости снижения). Он блестящий парень, но все конструкции Рутана — самодельные или специальные самолеты, с ограничениями которых можно жить.

А массовое производство? Ну, у вас есть Beech Starship. Катастрофа для Beechcraft, чуть не обанкротившая их. Единственное место, где вы видите канарды в мире производства, - это дополнительные поверхности к основной стабилизирующей поверхности, горизонтальному оперению.

Райты разместили подъемную поверхность впереди, потому что в то время это казалось логичным. Поверхность довольно быстро перемещалась назад по мере продвижения самолетов.

Первоначально Райты использовали утку, чтобы сделать самолет неустойчивым, ошибочно полагая, что устойчивый самолет будет вяло реагировать на органы управления. Первый самолет, совершивший полет в Европе, Santos-Dumont 14bis, был уткой, которой удалось решить ту самую проблему, для решения которой Райт принял его на вооружение. Несколькими годами позже Горацио Барбер в Великобритании изготовил устойчивый и пригодный для полетов самолет-утка Valkyre. У него оказались более безопасные характеристики сваливания, чем у его современников. Параллельно, а также в Великобритании, JW Dunne разработал бесхвостое стреловидное крыло, в том числе из-за его устойчивости и безопасного сваливания. Тем временем другие во Франции, США и Великобритании, включая Райтов, разработали типы Райта как с хвостом, так и с уткой, прежде чем отказаться от утки. Как утку, так и бесхвостый тип оказалось слишком сложно исправить, в то время как хвостовое оперение было намного более терпимым к плохой конструкции и легче адаптировалось к обстоятельствам. Французы возглавили зарождающуюся моду, но это не имело большого значения, кто это сделал, и к тому времени, когда Блерио перелетел через Ла-Манш, хвостовое оперение уже стало обычным явлением во всех трех основных авиационных державах.

Со временем другие типы найдут подходящие ниши, некоторые довольно значительные, но в целом история могла развиваться только в одном направлении.

Различные приложения имеют разные оптимумы, как в авиации, так и в большинстве других вещей. Если вы максимизируете одну комбинацию общих характеристик, переднего обзора пилота (при посадке с поднятым носом и рулежном положении обычной конструкции шасси, что было почти всем, что было до 1930 года) и стоимости / веса конструкции, это довольно легко. чтобы увидеть, как вы получаете в значительной степени дизайны, которые у нас были тогда, которые привели к проектам, которые мы имеем сейчас.

Тем не менее, если бы что-то было изобретено раньше или позже, это могло бы изменить конечный результат через пятьдесят или семьдесят пять лет. Если трехколесное транспортное средство стало популярным до того, как авианосцы завоевали Тихоокеанский театр морских сражений, мы могли бы увидеть конструкции, находящиеся на вооружении к 1945 году, которые были заброшены в нашей истории — например, такие самолеты, как Curtis XP-55 Ascender, или в целом похожие на них. Немецкие и японские конструкции, которые никогда не использовались, несмотря на обещания лучших характеристик и летных характеристик, чем тракторный двигатель, традиционные схемы компоновки, которые были до них.

Другие факторы могли с такой же легкостью привести к появлению бесхвостых самолетов (таких как реактивный истребитель Cutlass 1950-х годов или бомбардировщик YB-49) — либо их, либо утки можно сделать достаточно стабильными и дать достаточную производительность для данной задачи. в целом, но в индустрии гораздо больше опыта работы с диалоговыми конструкциями, что и дизайнеры, и заказчики в равной степени чувствуют себя более комфортно с рулем высоты сзади и пропеллером впереди, и неважно, насколько хорошо летают странные на вид конструкции Рутана.

Что касается расположенного сзади горизонтального стабилизатора, неумолимый след и ошибки природы в течение неограниченного времени дали ответ. Канарды очень хорошо работают с дельтами, но дельты не так эффективны, как прямые крылья, во всем важном анализе подъемной силы/сопротивления. История птиц насчитывает более 100 миллионов лет. Их за крылом.

Но для человеческих летающих объектов стрелы существуют гораздо дольше и действительно являются частью понимания полета. Лучники могут поддерживать значительную силу поражения на дальних дистанциях, устанавливая ЦТ вперед, чтобы стрела наклонялась вниз для поддержания скорости, как самолет. Хвостовое оперение, установленное сзади, также помогает опускать нос, когда самолет тонет. Оба эти фактора помогают восстановить воздушную скорость и правильный угол атаки в случае сваливания.

Вертикальные стабилизаторы имеют больше возможностей и могут быть установлены как на законцовках крыла, так и в задней части фюзеляжа. Но с активными бортовыми компьютерами дифферента мы становимся больше похожими на птиц, точно управляющих нашими аэродинамическими поверхностями. Это поможет устранить необходимость в громоздких стабилизаторах, создающих сопротивление, и приведет к большей эффективности использования топлива.

Самолеты, которые «едят как птицы».

Уже одно это, кажется, означает, что хвостовое оперение является лучшим выбором по сравнению с любой другой конструкцией, но так ли это на самом деле? Или это просто случай технологической и экономической инерции?

Немного того и другого. И помимо технологических особенностей, обсуждаемых в других ответах, здесь не следует забывать об истории. Хвостовое оперение/передний двигатель имеют свои недостатки, но в то же время невероятное преимущество развития благодаря Второй мировой войне. Самолеты со стандартной настройкой допускают очень гибкие конфигурации, от которых зависят истребители. И хотя во время войны было опробовано множество других конфигураций, наибольшее внимание уделялось стандартным. В результате знания по их строительству получили широкое распространение после войны и использовались для гражданских застроек.

Это немного похоже на вопрос, почему когда-то лидирующие электромобили были вытеснены бензиновыми автомобилями — опять же, Первую мировую войну сыграла главную роль. В то время как загрузка аккумуляторов не вызывает затруднений в развитой гражданской среде, это становится почти невозможным в условиях войны - здесь бензин имеет невероятное логистическое преимущество, поскольку легко перевезти несколько бочек бензина, в отличие от установки генераторов для зарядки аккумуляторов. .

Это не всегда война, так как экономическое масштабирование также работает — например, почему наши современные компьютеры почти все пересобираются в основе упрощенных мини-компьютерных конструкций — и теперь прилагаются огромные усилия, чтобы снова их «упростить».

Чтобы летать, крыло должно поддерживать угол атаки в определенном диапазоне. Если угол атаки слишком мал, крыло не создает подъемной силы. Если угол атаки слишком велик, воздух, движущийся сверху, не может следовать контуру крыла, разделяется и вызывает уменьшение подъемной силы (аэродинамический срыв). Конструкции, в которых используется пассивная устойчивость для поддержания соответствующего угла атаки, сделают полет самолета более безопасным, поскольку они не требуют от пилота активного контроля угла атаки и внесения постоянных корректировок. Конфигурация хвостового оперения размещает центр масс самолета впереди центра подъемной силы крыла, при этом хвостовое оперение создает уравновешивающую прижимную силу. По мере увеличения воздушной скорости увеличивается подъемная сила, а также прижимная сила на хвостовом оперении, в результате чего самолет начинает подниматься и замедляться. С уменьшением воздушной скорости подъемная сила уменьшается, а вместе с ней и прижимная сила хвостового оперения. заставляя самолет снижаться и ускоряться. Точно так же, если возмущение поднимает нос вверх, увеличивая его угол атаки, оно уменьшает прижимную силу на хвостовое оперение, восстанавливая положение по тангажу; если возмущение наклоняет нос вниз, это увеличивает прижимную силу на хвостовом оперении, снова восстанавливая положение. Таким образом, конфигурация хвостового оперения естественно (пассивно) стабильна по тангажу, что сильно способствует его использованию.

Недостатком конфигурации хвостового оперения является то, что часть подъемной силы крыла противостоит хвостовому оперению, что делает его менее энергоэффективным, чем другие конфигурации, такие как утка. Конфигурация «утка» также может быть разработана с пассивной устойчивостью, но ее сложнее сделать правильно, особенно когда речь идет о таких вещах, как выход из сваливания.